양자 컴퓨팅 알고리즘은 탄소 포집 방법 개발에 도움이 될 수 있습니다

Bartlomiej Wroblewski/iStock

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과학자 팀은 대기 탄소 포집에 가장 유망한 화합물을 찾기 위해 설계된 알고리즘을 테스트했습니다.

양자 컴퓨팅 시스템의 도움으로 그들의 알고리즘은 기후 변화의 최악의 영향을 방지하는 데 도움이 될 수 있는 유망한 방법의 개발을 가속화하는 데 도움이 될 수 있습니다.

대기 탄소 포집은 기후 변화에 맞서 싸우는 유망한 잠재적 도구입니다. 대부분의 탄소 포집 기술과 마찬가지로 이 방법은 아직 초기 개발 단계에 있으므로 필요한 막대한 양의 CO2를 포집할 수 있으려면 많은 작업이 필요합니다.

지금까지 가장 유망한 기술 버전은 이산화탄소와 화학적으로 결합하는 아민이라는 화합물 종류를 사용했습니다.

과학자들은 현재 작업에 가장 적합한 아민 화합물을 식별하기 위해 노력하고 있습니다. 약간의 차이라도 기술의 전반적인 효율성에 큰 영향을 미칠 수 있기 때문입니다. 본질적으로, 약간의 차이가 수십억 톤의 추가 이산화탄소 포집을 유도하거나 방지할 수 있습니다.

이제 AVS Quantum Science 저널에 발표된 논문에서 국립 에너지 기술 연구소(National Energy Technology Laboratory)와 켄터키 대학의 과학자들은 양자 컴퓨팅을 통해 아민 반응을 분석할 수 있는 알고리즘을 테스트한 방법을 설명했습니다. 그들은 그들의 새로운 알고리즘을 사용하여 탄소 포집을 위한 가장 효율적인 아민 화합물을 신속하게 결정할 수 있다고 말합니다.

연구 저자 Qing Shao는 언론 성명에서 "우리는 이 [탄소 포집] 과정에 사용하는 현재 아민 분자에 만족하지 않습니다."라고 설명했습니다. "우리는 이를 수행하기 위한 새로운 분자를 찾으려고 노력할 수 있지만, 고전적인 컴퓨팅 자원을 사용하여 이를 테스트하려면 비용이 많이 드는 계산이 될 것입니다. 우리의 희망은 수천 개의 새로운 분자와 구조를 스크리닝할 수 있는 빠른 알고리즘을 갖는 것입니다. ."

알고리즘에 기존 컴퓨터가 아닌 양자 컴퓨터가 필요한 이유는 화학 반응의 시뮬레이션이 관련된 모든 원자 쌍 간의 상호 작용을 설명해야 하기 때문입니다. 이는 단순한 3개 원자로 구성된 CO2 분자와 같은 단순한 분자라도 가장 단순한 아민인 4개의 원자로 구성된 암모니아와 반응하여 수백 개의 원자 상호 작용을 일으킬 수 있음을 의미합니다.

양자 컴퓨터 역시 아직 상대적으로 초기 개발 단계에 있습니다. 그러나 연구원들은 기존 양자 컴퓨터의 제한된 매개변수 내에서 작동하도록 알고리즘을 개발했습니다. 저자 Yuhua Duan은 "우리는 실용적인 환경 문제를 해결하기 위해 현재의 양자 컴퓨팅 기술을 사용하려고 노력하고 있습니다"라고 말했습니다.

연구 개요:

CO2 포집은 지구 온난화를 해결하는 데 중요합니다. 아민 기반 용매는 CO2를 화학적으로 흡수하는 데 광범위하게 사용됩니다. 따라서 CO2 포집 과정을 더 잘 이해하고 최적화하려면 아민 기반 용매에 의한 CO2의 화학적 흡수를 연구하는 것이 중요합니다. 여기에서는 양자 컴퓨팅 알고리즘을 사용하여 분자 진동 에너지와 CO2와 단순화된 아민 기반 용매 모델인 NH3 사이의 반응 경로를 정량화합니다. 분자 진동 특성은 반응 동역학을 이해하는 데 중요합니다. 그러나 분자 크기는 진동 특성에 대한 부조화 효과의 강도와 상관관계가 있으며, 이는 기존 컴퓨팅을 사용하여 해결하기 어려울 수 있습니다. 양자 컴퓨팅은 불일치성을 포함하여 분자 진동 계산을 향상시키는 데 도움이 될 수 있습니다. 우리는 반응물과 CO2 및 NH3 반응 생성물의 바닥 상태 진동 에너지를 계산하기 위해 양자 시뮬레이터에 VQE(변형 양자 고유해석) 알고리즘을 구현합니다. VQE 계산은 기존 컴퓨팅과 유사한 정확도로 CO2 및 NH3의 지면 진동 에너지를 산출합니다. 하드웨어 잡음이 있는 경우 회로 깊이가 더 얕은 CHC(Compact Heuristic for Chemistry) ansatz가 단일 진동 결합 클러스터보다 더 나은 성능을 발휘합니다. CHC ansatz와 결합된 "Zero Noise Extrapolation" 오류 완화 접근 방식은 진동 계산 정확도를 향상시킵니다. 여기된 진동 상태는 CO2와 NH3에 대한 양자 운동 방정식을 통해 접근됩니다. 전자 에너지를 계산하기 위해 양자 Hartree-Fock(HF) 임베딩 알고리즘을 사용하면 해당 반응 프로파일은 결합된 클러스터 단일 및 이중과 유리하게 비교되는 동시에 HF보다 더 정확합니다. 우리의 연구는 CO2 포집 반응 연구에서 양자 컴퓨팅 애플리케이션을 선보입니다.